Спосіб перетворення напруги

Реферат: Спосіб перетворення напруги в завдану напругу іншого рівня належить до електротехніки, зокрема до перетворювальної техніки, і може бути використаний для перетворення постійної або змінної напруги в напругу іншого рівня в перетворювачах електричної енергії, які не потребують гальванічної розв'язки вхідних та вихідних кіл. UA 68951 U (12) UA 68951 U UA 68951 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, зокрема до перетворювальної техніки, і може бути використана для перетворення постійної або змінної напруги в напругу іншого рівня в перетворювачах електричної енергії, які не потребують гальванічної розв'язки вхідних та вихідних кіл: перетворювачах, формувачах, стабілізаторах, коректорах, нормалізаторах постійної або змінної напруги, джерелах вторинного електроживлення, системах дистанційного та розподіленого електроживлення та електропостачання, тощо. Широко відомим є спосіб перетворення електричної енергії постійного струму, що полягає у перетворенні вхідної напруги джерела первинного електроживлення на високочастотні імпульси змінної полярності за допомогою інвертора, подальшого перетворення амплітуди імпульсів за допомогою високочастотного трансформатора, випрямлення за допомогою випрямляча та згладжування високочастотних пульсацій за допомогою згладжувального фільтра (Семенов Б.Ю. Силовая электроника от простого к сложному. М: СОЛОН-Пресс. 2005, С. 343-356; Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под ред. Г.С. Найвельта. М.: Радио и связь. 1986, С. 360-368). Регулювання електричної енергії у таких перетворювачах відбувається за рахунок зміни відносної тривалості високочастотних імпульсів (широтно-імпульсна модуляція) або за рахунок зміни частоти імпульсів (частотно-імпульсна модуляція) на основі вимірів вихідної напруги пристроєм керування. Для перетворення електричної енергії змінного струму також широко відомі статичні перетворювачі електричної енергії з подвійним перетворенням у яких змінна напруга джерела первинного електроживлення спершу перетворюється у постійну за допомогою випрямляча, потім постійна напруга за допомогою інвертора перетворюється на високочастотні імпульси постійної або змінної полярності залежно від того, яку напругу (постійну або змінну) потрібно отримати на виході та подальшого згладжування високочастотних пульсацій (Семенов Б.Ю. Силовая электроника. Профессиональные решения. М.: СОЛОН - Пресс, ДМК Пресс. 2011, С. 14-22). Найбільш близьким технічним рішенням по більшості суттєвих ознак, вибраним як прототип, є спосіб перетворення змінної напруги (Заявка 2002135013/09, 16.12.2002, патент RU 2266608 С2), що полягає у перетворенні синусоїдальної напруги за допомогою інвертора у послідовність високочастотних імпульсів змінної полярності модульованих по амплітуді та тривалості, з подальшим їх випрямленням та згладжуванням високочастотних пульсацій, що дозволяє отримати на виході вихідного згладжувального фільтра синусоїдальну напругу частоти джерела первинного електроживлення. Амплітуда вихідної напруги пропорційна відносної тривалості високочастотних імпульсів, а фаза може змінюватися на протилежну при зміні фази роботи ключів синхронного випрямляча. При використанні вказаних способів загальна потужність перетворюваної енергії, потужність інвертора, що формує високочастотні імпульси, трансформатора, що перетворює їх амплітуду, дорівнює потужності навантаження. Оскільки втрати електричної енергії при перетворенні, маса, габарити та вартість перетворювача напряму залежать від величини перетворюваної енергії, це призводить до погіршення техніко-економічних показників перетворювача: зниження коефіцієнта корисної дії, підвищення маси, габаритів та вартості пристрою. Задачею корисної моделі є удосконалення способу перетворення напруги шляхом формування вихідної напруги як додатка вхідної напруги та високочастотних імпульсів потрібної полярності, що забезпечить підвищення техніко-економічних показників перетворювачів: зменшення маси, габаритів та вартості та підвищення коефіцієнта корисної дії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі перетворення напруги в задану напругу іншого рівня, який полягає у тому, що вхідну напругу перетворюють у послідовність високочастотних імпульсів за допомогою інвертора, після чого їх випрямляють випрямлячем та згладжують високочастотні пульсації за допомогою згладжувального фільтра, на виході якого отримують вихідну напругу заданого рівня, згідно з корисною моделлю, вихідну напругу формують як додаток вхідної напруги та напруги випрямлених високочастотних імпульсів, тривалість яких пропорційна модулю різниці між вхідною та вихідною напругами перетворювача, а полярність залежить від знаку перетворення напруги, причому при необхідності збільшення напруги формують імпульси, полярність яких збігається з полярністю вхідної напруги, а при необхідності зменшення напруги - імпульси з полярністю, протилежною полярності вхідної напруги. Формування вихідної напруги як додатка вхідної напруги та випрямлених високочастотних імпульсів зменшує загальну потужність перетворюваної енергії та рівень високочастотних пульсацій вихідної напруги, оскільки частина енергії надходить у навантаження безпосередньо від джерела первинного електроживлення. Це дозволяє використовувати інвертор та трансформатор меншої потужності, а вихідний згладжувальний фільтр з меншим коефіцієнтом 1 UA 68951 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 згладжування, що призводить до зменшення маси, габаритів, вартості перетворювача та зменшення втрат електричної енергії у цілому. Можливість зміни полярності випрямлених імпульсів дозволяє без зміни схеми перетворювача перетворювати як постійну, так і змінну напругу, а також як підвищувати так і зменшувати рівень вхідної напруги, що, в свою чергу, додатково розширює галузь виростання даного способу. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 зображені діаграми роботи при перетворенні постійної напруги. На фіг. 2 зображені діаграми роботи при перетворенні змінної напруги. Блок-схема практичної побудови перетворювача, що працює за даним способом, наведено на фіг. 3. Заявлений спосіб реалізують наступним чином. Вхідну напругу джерела первинного електроживлення uвх(t) за допомогою інвертора перетворюють на високочастотні імпульси змінної полярності uiнв(t). Необхідну амплітуду імпульсів uвх(t) формують за допомогою трансформатора, а тривалість формують пропорційною модулю різниці між вхідною uвх(t) та вихідною uвих(t) напругами перетворювача за допомогою пристрою керування. Далі високочастотні імпульси змінної полярності випрямляють випрямлячем, після чого вони стають однополярними, полярність яких формують за допомогою пристрою керування. При необхідності збільшення напруги uвх(t) полярність імпульсів uвипр(t) формують таким чином, щоб вона збігалася з полярністю вхідної напруги uвх(t). Етапи перетворення напруги у даному випадку зображено на фіг. 1 та фіг.2 у секціях "підвищення напруги". При необхідності зменшення напруги полярність імпульсів uвипр(t) формують таким чином, щоб вона була протилежна полярності вхідної напруги uвх(t). Етапи перетворення напруги у даному випадку зображено на фіг.1 та фіг.2 у секціях "зниження напруги". Якщо немає необхідності зміни вхідної напруги, високочастотні імпульси не формують, і вихідна напруга дорівнює вхідній. Етапи перетворення напруги у даному випадку зображено на фіг.1 та фіг.2 у секціях "напруга не змінюється". Однополярні імпульси uвипр(t) додають до вхідної напруги uвх(t), в результаті чого на вході згладжувального фільтра формують напругу u філ(t), яка є додатком вхідної напруги uвх(t) та uвипр(t). Пульсації вихідної напруги uвх (t) згладжують згладжувальним фільтром. Високочастотні пульсації вхідного струму згладжують за допомогою вхідного згладжувального фільтра. Блок-схема практичної побудови перетворювача, що працює за даним способом, наведено на фіг. 3. Електрична енергія джерела первинного електроживлення з вхідною напругою uвх(t) з виходу вхідного згладжувального фільтра 1 надходить до входу інвертора 2, який перетворює її на високочастотні імпульси змінної полярності uвх(t), амплітуда яких пропорційна модулю амплітуди вхідної напруги, а тривалість пропорційна модулю величини зміни (збільшення або зменшення) вхідної напруги. У випадку, коли необхідності перетворення напруги немає (наприклад, якщо за даною схемою побудовано стабілізатор напруги промислової мережі, і її поточне значення знаходиться у допустимих межах), високочастотні імпульси на виході інвертора не формуються. Високочастотні імпульси з виходу інвертора 2 через трансформатор 3 надходять до випрямляча 4, який працює наступним чином. У випадку, коли необхідно підвищити рівень вхідної напруги uвх(t), полярність імпульсів uвипр(t) на вході випрямляча 4 співпадає з полярністю вхідної напруги uвх(t). У цьому випадку напруга на вході u філ.(t) вихідного згладжувального фільтра 5 є додатком вхідної напруги uвх(t) та випрямлених високочастотних імпульсів напруги uвипр(t), що призводить до підвищення рівня вихідної напруги uвих(t) відносно вхідної. У випадку, коли необхідно знизити рівень вхідної напруги uвх(t), полярність імпульсів uвипр(t) на виході випрямляча 4 протилежна полярності вхідної напруги uвх(t). У цьому випадку напруга на вході uфіл.(t) вихідного згладжувального фільтра 5 є різницею вхідної напруги uвх(t) та напруги випрямлених високочастотних імпульсів uвипр(t), що призводить до зниження рівня вихідної напруги uвих(t) відносно вхідної. У випадку, коли вихідна напруга інвертора дорівнює нулю (пауза між імпульсами, або немає необхідності змінювати вхідну напругу) комутуючі елементи випрямляча 4 підключають вихідний згладжувальний фільтр 5 безпосередньо до вхідного згладжувального фільтра 1. У цьому випадку напруга на вході u філ.(t) вихідного згладжувального фільтра дорівнює напрузі на виході вхідного згладжувального фільтра uвх(t). Вихідний згладжувальний фільтр 5 усуває високочастотні пульсації напруги на виході перетворювача. Необхідні сигнали керування комутуючими елементами інвертора 2 та випрямляча 3 формуються пристроєм керування 10 на основі інформації з датчиків вхідної 6 та вихідної 7 напруг, а також з датчика вихідного струму 8. 60 2 UA 68951 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб перетворення напруги в задану напругу іншого рівня, який полягає у тому, що вхідну напругу перетворюють у послідовність високочастотних імпульсів за допомогою інвертора, після чого їх випрямляють випрямлячем та згладжують високочастотні пульсації за допомогою згладжувального фільтра, на виході якого отримують вихідну напругу заданого рівня, який відрізняється тим, що вихідну напругу формують як додаток вхідної напруги та напруги випрямлених високочастотних імпульсів, тривалість яких пропорційна модулю різниці між вхідною та вихідною напругами перетворювача, а полярність залежить від знаку перетворення напруги, причому при необхідності збільшення напруги формують імпульси, полярність яких збігається з полярністю вхідної напруги, а при необхідності зменшення напруги - імпульси з полярністю, протилежною полярності вхідної напруги. 3 UA 68951 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4